基于多時相衛(wèi)星遙感影像的潮灘高程反演及應用

基于多時相衛(wèi)星遙感影像的潮灘高程反演及應用

中國的泥質潮灘約占該大陸海岸線的1.4%，主要分布在長江、黃河、珠江、龍江等河口三角洲及其兩側的海岸平原和一些沿海港口。污泥的大規(guī)模形成具有廣闊的水域特征。淤泥質潮灘在周期性的潮汐作用下,高潮時被水淹沒低潮時又漏出水面,部分區(qū)域無法到達,這為潮灘上的地形測量增加了一定的難度。海圖上的水深數(shù)據(jù)多用于航海的需求,水深數(shù)據(jù)一般都是從海圖理論深度基準面開始,往往缺少0m等深線以上區(qū)域的高程信息,對于已有的潮灘高程數(shù)據(jù),它的更新也遠不如水深數(shù)據(jù)更新的頻繁。因此在平坦寬闊的潮灘上,往往缺少系統(tǒng)的高程數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不完善在某些研究和應用中會造成一些瑕疵,本文所研究和探討的問題是在存在大面積潮灘海域進行潮流數(shù)值模擬時,如何利用多時相衛(wèi)星遙感影像水邊線高程反演技術,解決由于潮灘高程信息的缺失,導致潮灘附近的潮流數(shù)值模擬結果不是特別準確。潮流數(shù)值模擬已經(jīng)廣泛用于研究海岸、河口物理現(xiàn)象,并且也常用于解決各種海岸、河口水動力問題,如河口整治工程、環(huán)境保護工程等。近年來,隨著國家許多重大工程都對潮流數(shù)值模擬提出了新的問題和要求,根據(jù)研究和實際工程的需要,我國潮流數(shù)學模型有了較快的發(fā)展。與物理模型相比,數(shù)值模擬具有經(jīng)濟、快速、修改方便等優(yōu)點,數(shù)值模擬的精確程度,往往不完全由數(shù)學模型和數(shù)值模擬本身所決定,有時還經(jīng)常由邊界條件,初始條件以及選用參數(shù)等因素的處理是否合適所控制。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具備大面積、快速、同步觀測的優(yōu)勢,能夠彌補傳統(tǒng)地貌調查方法的不足,近年來衛(wèi)星遙感在海岸帶的應用越來越多,國內也有很多學者通過海岸帶衛(wèi)星遙感技術對淤泥質潮灘的海岸線變遷、沉積物類型、地貌發(fā)育、沖淤變化等方面進行了研究。尤其在長江口、黃河口、蘇北淺灘、渤海灣等地區(qū)的研究較多。本文通過對渤海灣西南部淤泥質潮灘高程進行衛(wèi)星遙感反演,并將反演結果應用到潮流數(shù)值模擬當中,取得較好的效果,這對潮灘上的泥沙輸運以及沖淤演變等方面的研究也具有重要的參考價值。1研究區(qū)地理位置渤海灣是中國渤海三大海灣之一,是位于渤海西南部的一個半封閉的海灣,其海岸是我國典型的淤泥質海岸帶。研究區(qū)地理位置如圖1所示。黃河、灤河、海河等多條河流為渤海灣帶來了豐富的泥沙來源,該地區(qū)的淤泥質潮灘寬廣平坦,岸線平直,地貌類型簡單。在做該海域的潮流、泥沙等數(shù)值模擬時,如此大范圍的潮灘高程數(shù)據(jù)很難通過實地測量獲得。2研究區(qū)域內朝灘高度遙感的反演2.1潮灘的高程插值淤泥質潮灘高程遙感反演的核心是利用衛(wèi)星遙感影像上的水陸分界線(即水邊線)對潮灘高程的指示作用,作者假設在小區(qū)域范圍內的水邊線可以認為是一條等高線,由于水邊線是隨潮位的升降而處于動態(tài)變化中,因此只要獲得不同時間水邊線對應的潮位值,那么潮灘的地形也就可以通過對已有水邊線進行高程插值獲得。因此,這是具有可操作性的潮灘高程遙感反演方法。利用海岸帶衛(wèi)星遙感技術對潮灘高程進行反演的技術流程如圖2所示。2.2遙感影像的校正和成像本文所使用到的衛(wèi)星遙感影像資料為美國陸地衛(wèi)星LANDSAT系列TM數(shù)據(jù),該類遙感影像具有資料豐富,跨越時間較長,研究成果較多,成本較低等特點。本文主要選取研究區(qū)內2006年的3幅衛(wèi)星遙感影像作為應用數(shù)據(jù)源進行潮灘高程遙感反演,所用到的衛(wèi)星遙感影像資料見表1。在對遙感影像進行水邊線提取之前,需要做以下幾個方面的預處理:(1)幾何精校正。通過野外實地測量和從大比例尺地形圖上采集特殊點的方法選取了一定數(shù)量的地面控制點,這些地面控制點均勻的分布在整個研究區(qū)域內,控制點一般選用典型地物、人工建筑物或人工海岸的拐角。然后采用imagetomap的校正方式將2006年9月23日的影像校正到0.5個像元精度內,再將已經(jīng)精確校正好的遙感影像為基準,采用imagetoimage的校正方式,對研究區(qū)其它的遙感影像做幾何精校正。通過幾何精校正,使不同時相的遙感影像基本達到完全吻合,確保消除不同時相影像之間由于像元錯位所引起的虛假變化信息,滿足本次研究的精度要求。(2)投影轉換。直接獲得的衛(wèi)星遙感影像一般為WGS84坐標系下UTM投影,而我國常用的地圖投影方式為墨卡托投影和高斯-克呂格投影,坐標系統(tǒng)多為北京54和西安80坐標系。本文通過投影變換將所有衛(wèi)星遙感影像轉換為北京54坐標系下高斯-克呂格投影,在ENVI4.8平臺可以通過投影設置,對衛(wèi)星遙感影像進行重采樣來實現(xiàn)。(3)波段組合。對TM遙感影像主要采用4、5、3(R、G、B)的波段組合方式。該波段組合利用了1個紅波段、2個紅外波段,凡是與水有關的地物在圖像中都會比較清楚,強調顯示水體,特別是水體邊界很清晰,便于水邊線的信息提取。2.3殘余水體的提取研究區(qū)潮灘多為粉沙淤泥質,且潮灘灘面平坦寬廣,水邊線附近水體有時含沙量較大,含沙量的增加會導致反射率提高,使光譜曲線發(fā)生變化,落潮時在平坦寬廣的灘面上往往存有大量的殘余水體,高濃度的懸浮泥沙和殘余水體往往會給水邊線的提取帶來一定的干擾。對渤海灣不同時期潮灘水邊線的提取,本文采用了遙感分類與目視解譯相結合的方式。通過對遙感影像進行幾何校正、輻射校正和掩模處理等預處理后,在ENVI平臺下,利用非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類的方法進行水邊線解譯提取,最終將分類結果歸為潮灘和海水兩大類,然后將分類結果轉換為矢量文件,導出dxf格式利用AutoCAD軟件對矢量數(shù)據(jù)進行比對分析,對分類結果存在一定偏差的地方予以修正,直到得出較為可靠的水邊線解譯結果。水邊線的解譯提取如圖3所示。2.4潮位資料分析研究區(qū)選取黃驊港潮位站的潮位信息作為確定水邊線高程值的依據(jù),該站潮位資料通過2006年《潮汐表》獲得,該站為長期潮位觀測和預報站位,潮位資料可信度較高,精度基本可以滿足本次研究的需要。通過水邊線高程遙感反演方法獲得的2006年渤海灣西南部潮灘高程結果見圖4。2.5水邊線高程剖面對比利用2004年對套爾河河口西側潮灘進行的實地測量高程數(shù)據(jù),通過對研究區(qū)實測高程數(shù)據(jù)與遙感反演得到的高程數(shù)據(jù)進行對比來驗證潮灘高程反演的準確程度,實測高程與反演高程對比結果如圖5所示。本文選取了2個高程剖面(L1和L2)做了進一步的比較,通過對比發(fā)現(xiàn),利用水邊線高程遙感反演得到的結果能夠準確反映出潮灘高程的變化趨勢,但結果存在一定的誤差,反演潮灘高程要比實測高程略低,誤差范圍主要集中在10～30cm之間,這個誤差可能是由于潮位誤差和遙感影像的解譯精度較低造成的。通過此種方法獲得的潮灘高程數(shù)據(jù)與實測高程存在一定的誤差,不能完全替代測量數(shù)據(jù),但是完全可以應用在潮流數(shù)值模擬中,既可以反映潮灘高程的變化趨勢,又對潮灘高程精度的要求相對不高。3海洋防洪工程模擬軟件本文對渤海灣西南部海域潮流數(shù)值模擬采用的是丹麥水力學研究所研制的MIKE21數(shù)值計算與分析軟件,該軟件是國際上比較成熟的數(shù)值模擬工具,已經(jīng)在海洋、海岸和河口地區(qū)得到了廣泛的應用。模型采用非結構三角形網(wǎng)格,利用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散,在時間上采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程,本文模擬了研究區(qū)M2、S2、K1和O14個主要分潮。3.1模型高程分帶與時間步長海岸線數(shù)據(jù)是利用對2006年衛(wèi)星遙感影像解譯所獲得的海岸線。水深數(shù)據(jù)主要來自海圖以及海灣臨港工業(yè)建設中實測的水深,在水深處理過程中將所有水深均轉化到以平均海平面為基準。另外,潮灘的高程數(shù)據(jù)是根據(jù)前面利用水邊線高程遙感反演所獲得的結果。模型計算時間步長可以根據(jù)CFL條件進行動態(tài)調整,本次數(shù)值模擬的最小時間步長設為0.3s,能夠確保模型計算穩(wěn)定運行。模型底床糙率通過曼寧系數(shù)進行控制,本次數(shù)值模擬的曼寧系數(shù)取值在0.3～0.45m1/3/s之間。3.2確認了朝慶和朝慶(1)對潮汐位置的驗證為了檢測數(shù)值模擬結果的可靠性和真實性,本文利用黃驊港潮位站的潮位資料,對模擬結果進行了潮位驗證。潮位驗證曲線如圖6所示。(2)流觀測點位置利用研究區(qū)內2006年7月11～12日的2個海流觀測點對潮流模擬結果進行了驗證,潮流觀測點位置見圖1。本文將實測海流資料經(jīng)調和分析后,選用M2、S2、K1和O14個分潮的調和常數(shù)預報出與模擬時間相對應的潮流,對潮流模擬結果進行驗證,潮流驗證曲線如圖7所示。從潮位和潮流驗證結果可以看出,模擬結果基本能夠準確反映出研究區(qū)的潮流特點。3.3潮灘的流速圖7所示分別為研究區(qū)高、低潮時刻潮流場圖,從圖上可以看出,研究區(qū)潮流高、低潮時刻流速均較小,一般小于0.4m/s,高潮時刻潮灘被海水淹沒,潮流以很小的速度向岸流動,低潮時刻大面積的潮灘漏出水面,潮灘灘面寬廣。潮灘上潮流場分布與潮灘高程具有良好的對應關系,潮流動邊界效果良好,能夠較為真實的反映出潮灘上的潮流特點。4潮灘水邊線高程遙感反演的誤差本文所采用的衛(wèi)星遙感影像資料主要為LANDSAT系列中分辨率衛(wèi)星遙感影像資料,而目前高分辨率遙感衛(wèi)星應用也越來越廣,如SPOT5,IKONOS,QuickBird等商用衛(wèi)星,但他們卻存在資料相對缺乏、成本較高等不足。倘若有更為詳盡、系統(tǒng)的高分辨率遙感影像,水邊線的提取精度必將有所提高,潮灘高程遙感反演結果將更為準確。利用多時相衛(wèi)星遙感影像對淤泥質潮灘高程進行反演,能夠彌補傳統(tǒng)潮灘測量的一些不足,但是反演結果存在一定誤差。通過潮灘水邊線高程遙感反演所獲得的潮灘高程的精度主要取決于3個方面,一是衛(wèi)星成像時瞬時水邊線所對應的潮位值的精度,二是對衛(wèi)星遙感影像水邊線位置的解譯精度,三是水邊線的疏密程度。理論上講,通過潮灘水邊線高程遙感反演可以非常準確的確定出潮灘的高程,然而鑒于以上誤差不可避免,以及資料的連續(xù)性和同步性等原因,潮灘高程遙感反演可以很好的反映出潮灘地形趨勢及地貌特征,但完全消除高程誤差值是不可能的。此種方法獲得的潮灘高程數(shù)據(jù)用于潮流數(shù)值模擬尚可,但還不足以完全替代實測數(shù)據(jù)。5潮灘上潮流場分布本文利用海岸帶衛(wèi)星遙感水邊線高程反演技術,對渤海灣西南部的潮灘高程進行了反演,結果能夠準確反映出潮灘高程的變化趨勢。通過將獲得的潮灘高程信息應用在研究區(qū)潮流數(shù)值模擬中,發(fā)現(xiàn)潮灘上潮流場分布與潮